太陽(yáng)能LED街燈解決方案

　　本文介紹的太陽(yáng)能LED街燈方案，能自動(dòng)檢測環(huán)境光以控制路燈的工作狀態(tài)，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)保證最大太陽(yáng)能電池板效率，恒電流控制LED，并帶有蓄電池狀態(tài)輸出以及用戶(hù)可設定LED工作時(shí)間等功能。

　　系統結構與實(shí)現原理

　　目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結構，其中高壓鈉燈的電子驅動(dòng)部分需要把市電從交流轉化為直流，再逆變到交流來(lái)驅動(dòng)，導致系統效率較低;而且由于使用的是市電，需要鋪設復雜、昂貴的管線(xiàn)。太陽(yáng)能-LED街燈則不具備以上的問(wèn)題，由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅動(dòng)光源，兩者的結合更能提高整個(gè)系統的效率;太陽(yáng)能的使用也免去了鋪設電纜及其相關(guān)工程的費用。

　　圖1

　　圖1是一個(gè)太陽(yáng)能-LED街燈的結構示意圖。太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)光的照射下，其內部PN結會(huì )形成新的電子空穴對，在一個(gè)回路里就能產(chǎn)生直流電流;這個(gè)電流流入控制器，會(huì )以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時(shí)候會(huì )接受充電，而在晚上則會(huì )提供能量給LED。LED的工作是通過(guò)控制器進(jìn)行的，控制器在保證LED恒流工作的同時(shí)，也會(huì )監測LED的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長(cháng)短。連續陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會(huì )發(fā)出控制信號來(lái)啟動(dòng)外部的市電供電系統(不包含在控制器中)，保證LED的正常工作。外部的市電供電系統只是作為后備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會(huì )被使用。蓄電池的充電完全只是通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)實(shí)現的，以確保最大限度使用太陽(yáng)能。

　　圖2

　　圖2是控制器的結構方框圖。太陽(yáng)能電池板進(jìn)來(lái)后會(huì )首先經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)MOS管KCHG連接到直流/直流變換器(蓄電池充電電路)，此變換器的輸出連接到蓄電池兩端(實(shí)際電路里會(huì )先通過(guò)一個(gè)保險絲再連到蓄電池上)。加上KCHG有兩個(gè)作用：一是防止太陽(yáng)能電池輸出較低時(shí)由蓄電池過(guò)來(lái)的反充電流;二是當太陽(yáng)能電池板極性接反時(shí)起到保護電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓撲結構，拓撲結構的選擇不僅得考慮太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)電壓和蓄電池最大電壓，而且同時(shí)得兼顧效率和成本。蓄電池和LED之間也是通過(guò)一個(gè)直流/直流變換器(LED驅動(dòng)電路)，對LED要采用恒流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動(dòng)范圍以及LED的工作電壓范圍，設計電路中采用反激式拓撲結構來(lái)保證恒流輸出。反激式拓撲的效率一般沒(méi)有簡(jiǎn)單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統的效率，可以通過(guò)優(yōu)化蓄電池電壓與LED電壓的關(guān)系來(lái)采用升壓或者降壓電路，提升效率并可能進(jìn)一步減低成本。

　　整個(gè)控制器的控制是通過(guò)一個(gè)MCU來(lái)實(shí)現，MCU的主要工作包括以下幾點(diǎn)：一是采用MPPT算法來(lái)優(yōu)化太陽(yáng)能電池板工作效率;二是針對蓄電池不同狀態(tài)采用合適的充電模式;三是保證LED驅動(dòng)電路的恒流輸出;四是判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式;最后就是提供監控保護、溫度監測、狀態(tài)輸出和用戶(hù)控制輸入檢測(DIP1~4)等功能。MCU的選擇最主要是滿(mǎn)足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實(shí)際電路中MCU外圍設備的使用情況，考慮到以后擴展的需要，主控芯片使用STM32F101RXT6 (意法半導體最新款STM32系列MCU，采用Cortex-M3內核)。

　　表1： MCU外設分配。

　　表1

　　控制器輔助電源直接從蓄電池變換而來(lái)，蓄電池輸入通過(guò)線(xiàn)性電源(L78L12)得到12V，供給邏輯電路和PWM開(kāi)關(guān)信號放大;3.3V通過(guò)12V接開(kāi)關(guān)電源(L5970D)而來(lái)，主要給MCU和周邊電路供電，之所以用開(kāi)關(guān)電源是為了提高轉換效率(減少蓄電池耗電)以及在以后擴展系統時(shí)可以提供足夠負載，當然，為了減少成本，完全可以用線(xiàn)性電源來(lái)實(shí)現。

控制器主要功能

　　控制器的主要功能包括兩個(gè)方面：蓄電池充電以及蓄電池給LED供電。

　　1.蓄電池充電

　　當系統檢測到環(huán)境光充足，控制器就會(huì )進(jìn)入充電模式。蓄電池充電有兩個(gè)比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態(tài)，而后者則代表蓄電池充電的最高限制電壓，這些參數應該從蓄電池產(chǎn)品手冊上可以查到。在設計電路中針對12V蓄電池，分別設置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V(皆為在室溫條件下的電壓值，軟件中這兩個(gè)值增加了相應的溫度補償)，具體充電模式如表2所示。

　　表2

　　從表2中可以看到涓流充電模式和恒流充電模式會(huì )用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實(shí)現，業(yè)界有不少的論文對此進(jìn)行了探討，總的來(lái)說(shuō)各有優(yōu)劣，設計電路中采用相對簡(jiǎn)單的擾動(dòng)觀(guān)察法來(lái)實(shí)現(Perturbance and Observation)。這個(gè)控制方法的基本思想是通過(guò)增大或者減少充電電路開(kāi)關(guān)信號PWMCHG占空比，然后觀(guān)察輸出功率是變大還是變小，以此來(lái)決定下一步是增大還是減少占空比。由于太陽(yáng)能板的輸出變化相對比較緩慢，而且是單極點(diǎn)，所以這種方式還是能收到比較好的效果。

　　2.蓄電池放電

　　當系統檢測到周?chē)h(huán)境光線(xiàn)不足時(shí)，就會(huì )進(jìn)入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過(guò)高位電流檢測芯片(TSC101AILT)采樣送回MCU，由MCU通過(guò)調整開(kāi)關(guān)信號PWMDRV占空比來(lái)獲得恒定輸出電流。為了達到節能的目的，LED的恒定電流值會(huì )根據系統檢測的環(huán)境光強度來(lái)調整：當環(huán)境光由亮變暗時(shí)，系統的輸出電流也會(huì )相應從小到大;當環(huán)境光完全暗下來(lái)時(shí)，系統的輸出電流也達到預設的最大值。除了由環(huán)境光控制LED的輸出，用戶(hù)還可以通過(guò)設定開(kāi)關(guān)DIPl~4的狀態(tài)來(lái)開(kāi)啟時(shí)間控制功能，系統會(huì )根據DIP1~4的設定組合來(lái)控制LED從亮5分鐘到12小時(shí)不等。

　　此外，為了提高系統的可靠性，設計電路添加了針對太陽(yáng)能電池板、蓄電池和LED等一系列軟硬件的保護功能。而基于此系統平臺，還可以從添加智能發(fā)光二極管工作模式、增加通訊模塊和采用風(fēng)光互補系統三方面進(jìn)一步優(yōu)化系統性能。

　　本文結論

　　本街燈系統已經(jīng)在意法半導體大樓入口處成功實(shí)施，所有街燈系統都已運行半年，工作情況正常。